基于第一性原理和參數(shù)化模型的稀土發(fā)光材料研究.pdf

1、本論文系統(tǒng)地研究了鑭系離子的f電子與d電子晶場參數(shù)和自旋軌道耦合參數(shù)的計算方法。緒論部分介紹了稀土發(fā)光材料的研究背景，并介紹當(dāng)前研究稀土離子能級和分析稀土發(fā)光光譜的主要方法，包括唯象模型、Dorenbos等的研究f-d躍遷光譜的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃投尾淌诘暮喕Ｐ汀＿@些模型在解釋稀土離子能級和光譜時存在諸多局限性，如唯象模型使用時需要實驗數(shù)據(jù)進行擬合，且因f-d躍遷光譜包含較多的聲子邊帶和涉及到參數(shù)個數(shù)較多而難以精確擬合，Dorenbos等的

2、經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯τ陬A(yù)言鑭系離子在晶體中的f-d躍遷及電荷遷移態(tài)躍遷比較有效，但此經(jīng)驗公式成立的條件及其可靠性等方面都存在不確定因素。簡化模型通常對單一晶場能級執(zhí)行自由離子部分計算，因5d電子的晶場分裂屬于主要的相互作用而不能夠預(yù)言f-d躍遷光譜的主要能級結(jié)構(gòu)。
　　 第一章介紹了當(dāng)前研究稀土離子的最重要的理論方法唯象模型，唯象模型在解釋稀土離子的光譜和預(yù)測稀土離子發(fā)光方面有廣泛的應(yīng)用，我們從中心場近似出發(fā)，通過介紹fN組態(tài)和fN-1d

3、組態(tài)中電子之間的相互作用(包括庫倫作用、自旋軌道耦合作用、晶場作用、組態(tài)間相互作用等)來介紹稀土離子的能級結(jié)構(gòu)。
　　 第二章中介紹了我們結(jié)合密度泛函理論來計算唯象模型中的參數(shù)的方法。這種方法結(jié)合唯象模型的精確度高的優(yōu)點，以及密度泛函理論可以幾乎不需要實驗數(shù)據(jù)而對于任何體系進行直接計算的優(yōu)點。我們首次將這種方法應(yīng)用于稀土離子的計算。
　　 本論文的第三章和第四章都是基于模空間方法計算鑭系離子的晶場參數(shù)和自旋軌道耦合參數(shù)。

4、其中第三章主要是計算Ce3+在各種基質(zhì)(包括格位對稱群為S4的LiYF4、Oh群的CaF2和Cs2NaYCl6、C4v對稱的KY3F10、D2對稱的YAG)環(huán)境下的晶場參數(shù)和自旋軌道耦合參數(shù)，我們系統(tǒng)地分析了不同的對稱群下計算的晶場參數(shù)結(jié)果，由于稀土離子在晶體中的晶場參數(shù)與其所處的對稱性有關(guān)，在不同的對稱性下晶場參數(shù)的符號和個數(shù)一般不同，我們的計算結(jié)果中參數(shù)的個數(shù)和符號與群論知識預(yù)測的一致。此外，我們還將我們計算的參數(shù)與各種文獻報道的擬

5、合參數(shù)進行對比，我們的參數(shù)在合理精度范圍內(nèi)與其他人擬合的參數(shù)一致。
　　 第四章以D2d對稱的YPO4晶體和C2對稱的BaBPO5晶體為例，分別計算Ce3+、Pr3+、Nd3+、Eu3+在YPO4晶體中和Ce3+、Tb3+在BaBPO5晶體中的晶場參數(shù)和自旋軌道耦合參數(shù)。我們的計算表明通過模空間方法計算的參數(shù)在鑭系元素中的變化趨勢與理論預(yù)計的一致，即晶場參數(shù)隨核電荷數(shù)的增加而減小，自旋軌道耦合參數(shù)隨核電荷數(shù)的增加而增大。更進一步

6、，我們使用文獻已報道的鑭系離子原子實部分的參數(shù)和模空間方法計算的晶場參數(shù)來重構(gòu)鑭系離子的哈密頓量，并計算其本征能級和本征態(tài)。通過計算躍遷矩陣元來模擬鑭系離子的吸收光譜，并與實驗測量的激發(fā)光譜進行對比。通過此方法我們計算出的Ce3+的5個激發(fā)峰與實驗測量的一致，Pr3+，Nd3+，Eu3+的峰與實驗的峰也大致接近，計算出了Tb3+的自旋禁戒躍遷與自旋允許躍遷的強度與實驗測量的激發(fā)峰也比較接近。
　　 本論文的第五章以SrCl2：Y